JP2017124168A - 例えば前立腺超音波検査を実行するのに使用する経直腸プローブのロボット支援制御のためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波検査のための経直腸超音波プローブを制御するためのシステムを提供する。【解決手段】プローブ２、および、多軸マニピュレータロボット４のリスト６によって支持されるプローブ２を支持するための構造３を含む。ロボット４のリスト６とプローブ２との間には、ロードセル５が動作可能に設置される。このシステムは、ロボット４を制御するための電子制御ユニット、および、ロボット４をガイドするための手動ガイド装置７、８をさらに含む。手動ガイド装置７、８は、ロボット４の電子制御ユニットに接続され、手動ガイド部材８３に与えられる複数の動きをロボット４に与えるために、オペレータによって操作され得る。ロボット４の電子制御ユニットは、ロードセル５により検出されるストレスの閾値が超過されたという信号をロードセル５が送る場合に、アラーム状態を活性化する。【選択図】図１

Description

本発明は、概して、経直腸プローブの制御のためのシステムおよび装置の分野に関し、具体的には、例えば、前立腺生検を実行する間に使用されるタイプの超音波検査のための経直腸超音波プローブの制御に関する。

関節接合されたアームの遠位端に接続された支持構造によって支持される超音波プローブを含む、上記にて示されるタイプの複数の装置が、既に使用されている。これらの装置は、超音波プローブを所望の位置に正確に維持することにおいてはオペレータを支援するものの、オペレータによって支持されなくてはならないその構造の重量にもまた起因して、どのような場合にも、使用はとても容易ではい。

同様に、複数のロボットによって制御された複数の経直腸プローブを提供する複数の試みが既に知られている。例えば、ジョン・ホプキンス大学の名で出願された特許文献である米国特許出願公開第２０１５／０２６５３５４号明細書は、ロボット制御されたＭＲＩ（磁気共鳴映像法）タイプの経直腸プローブを記載する。しかしながら、患者に対する安全性と、オペレータによる簡便で正確な制御とを同時に保証することの難しさのせいで、これらの試みはいずれも、満足行くものを全く証明してきていない。
［本発明の目的］

本発明の目的は、公知の技術の複数の欠点を克服することである。

より一般的に言うと、本発明の目的は、医師にとって使用が極めて簡便且つ容易であり、患者に対する必要な安全性を保証し、プローブの動きおよび位置決めの極めて正確な制御を可能とし、そして最後に、比較的抑えられた製造およびメンテナンスコストを提供するであろう、あらゆるタイプの経直腸プローブのロボット支援制御のためのシステムを提供することである。

上記の複数の目的を実現することを目的として、本発明の主題は、例えば超音波検査のための経直腸超音波プローブである経直腸プローブを制御するためのシステムであり、以下を含む。
−経直腸プローブ、
−プローブを支持するための構造、
−プローブを支持するための構造を支持するリストを有する多軸マニピュレータロボット、
−ロボットのリストと経直腸プローブとの間において動作可能に設置されたロードセル、
−ロボットを制御するための電子制御ユニット、
−ロボットの電子制御ユニットに接続され、手動ガイド部材を含み、多軸マニピュレータロボットをガイドするための手動ガイド装置であって、ガイド部材に与えられる複数の動きの関数である複数の動きをロボットに与えるために、手動ガイド部材がオペレータによって操作され得る、手動ガイド装置。
−ロボットの電子制御ユニットは、患者の直腸内でプローブを駆動することを考慮して、手動ガイド部材に対してオペレータにより手動で与えられる動きに基づいて、ロボットを制御するようにプログラムされる。
−ロボットの電子制御ユニットは、ロードセルが発する複数の信号を受け取り、ロードセルにより検出されるストレスの閾値が超過されたという信号をロードセルが送る場合に、アラーム状態を活性化するように、さらにプログラムされる。

上述の複数の特性のおかげで、本発明に従ったシステムは、プローブの動きおよび位置決めの極めて正確な制御、および、患者に対する最大の安全性を保証しながら、オペレータが、極めて容易且つ簡便な態様でプローブを操作することを可能にする。

ロボットの電子制御ユニットによって活性化される上述のアラーム状態は、ロボットの停止、および／または、視覚的なアラーム信号および／または音声アラーム信号の発現から成り得る。

好ましい実施形態においては、上述の手動ガイド部材が、例えば振動タイプの触覚フィードバックをオペレータに供給するように、予め設定されている。好ましくは、この触覚フィードバックは、上記のロードセルによって検出されるストレスに比例した強度を有する。

再び、その好ましい実施形態の場合には、手動ガイド装置が、好ましくは取り外し可能な態様で、直接的または間接的のいずれかで、ロボットに対して、具体的にはロボットの遠位端と共に動ける要素に対して、強固に接続される。

本発明のさらなる特性および利点は、添付の複数の図面を参照して、次の説明から分かるであろう。複数の図面は、純粋に非限定的な例として提供されるものであり、次のとおりである。
本発明に従ったシステムの概略図である。 図１に示されるいくつかの詳細の拡大スケールでの図である。 図１のシステムの動作を示すブロック図である。 図１に示される手動ガイド装置の斜視図を示す。 図１に示される手動ガイド装置の２つめの斜視図を示す。

図１は、本発明に従った、経直腸プローブのロボット支援制御のためのシステム１を示す。ここで示される例は、例えば、前立腺生検を実行するために使用され得る超音波プローブの場合に関する。公知のタイプの任意の超音波プローブが、この目的に対して適切であり得る。例えば、本出願人は、BK Ultrasound Systems社によって製造され、BioJet Fusionという商品名で市場において販売されている超音波プローブを用いて初期の複数の実験を行った。いずれにせよ、本発明は、一般的用途向けであり、あらゆるタイプの経直腸プローブを制御するために使用されるのに適していることに留意すべきである。

システム１は、多軸マニピュレータロボット４を含む。示される例において、ロボット４は、ベース４１と、ベース４１に取り付けられ、鉛直方向の第１軸Ｉの周りに回転可能なカラム４２とを有する関節ロボットである。ロボット４は、カラム４２に取り付けられ、水平方向の第２軸ＩＩの周りに関節接合されたアーム４３を有する。参照番号４４で示されているのは、アーム４３に取り付けられた前アームである。前アーム４４は、これもまた水平方向の第３軸ＩＩＩの周りに関節接合される。前アーム４４は、さらに、その長手方向軸ＩＶの周りに回転する可能性を有する。ロボット４の前アーム４４には、アーム４３とは反対側に位置するその端部において、２つの相互に直交する軸Ｖ、ＶＩの周りの回転が可能なように取り付けられたリスト６が備えられる。公知の技術に従うと、このロボットの６つの軸、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、およびＶＩのそれぞれは、それぞれの径違い継手を介して、それぞれの電気モータ（図面中では、第１軸Ｉを制御する電気モータＭだけが見えている）によって制御される。このロボットの複数の電気モータは、（図２のブロック図中に示される）電子制御ユニットＥによって、それ自体は公知の態様で制御される。本出願人によって行われたこれらの研究および実験の主題を形成してきた実施形態の例においては、"RACER 3"という商品名で本出願人により製造されたロボットが、特に適していることを証明してきた。

公知の技術に従うと、ロボットリスト６の遠位端には、ロボットによって支持されるツールを取り付けるためのフランジが提供される。本発明の場合、ツールの代わりに、経直腸超音波プローブ２を支持する支持構造３がロボット４のフランジに結合される。図１に示される実施形態において、支持構造３は、実質的にＬ字型のメインボディ３１、メインボディ３１に結合された支持フレーム３２、支持フレーム３２に接続された経直腸プローブ２によって構成される。しかしながら、プローブ２を支持するための構造３は、純粋に例として本明細書にて示されるものとは異なる任意の構成を有してよいことに留意すべきである。

本発明の本質的な特性に従うと、システム１は、ロボット４のリスト６と経直腸プローブ２との間において動作可能に設置されたロードセル５をさらに含む。図１Ａは、ロボット４の終端部の拡大スケールでの概略図であり、具体的に、ロボット４の遠位端におけるフランジと、プローブ２を支持する構造３のメインボディ３１との間に設置されたロードセル５を示す。より一般的には、プローブ２をロボット４の遠位端に機械的に接続する一連の要素の任意の場所において、ロードセル５が挿入される必要がある。

このロードセル５は、システム１において、好ましくは連続的な態様で、経直腸プローブ２と患者の直腸の壁との間でやり取りされる負荷を検出するために使用される。本記載において、および次の特許請求の範囲において、"ロードセル"という表現は、力または負荷を検出するように設計された、あらゆるタイプのセンサ装置を意味する。この表現は、１つの方向（例えば、プローブ２の長手方向）にだけ作用する複数の力を検出するように設計された一方向性センサの場合、および、多数の方向に作用する複数の力および／または複数の偶力を検出するように設計されたセンサまたは複数のセンサによるシステムの場合を包含する。

実施形態の簡略化された例において、ロードセル５には、１または複数の電気歪みゲージが備えられる。プローブ２に対する機械的ストレスが、それ自体は公知の態様で、歪みゲージの電気回路における電気抵抗の変化の検出によって測定される。

既に述べたように、超音波検査のための経直腸超音波プローブは、市場において入手可能な、任意の公知のタイプのものであってよい。このプローブは、処理および表示装置、並びに、対応する処理プログラムと共に入手可能である。この処理および表示装置は、例えば、図１において９で示されるもののような、ポータブルパーソナルコンピュータの形態であってよい。

本発明のさらなる重要な特性に従うと、システム１は、ロボットの電子制御ユニットＥに接続された、多軸マニピュレータロボット４をガイドするための手動ガイド装置を含む（図２のブロック図もまた参照のこと）。また、複数の動きをロボット４に対して与えるために、医師によって操作され得る手動ガイド部材を含む。それらの動きは、手動ガイド部材に与えられる複数の動きの関数である。

再び図１を参照すると、互いに対する代替として使用され得る、このロボットの２つの異なる手動ガイド装置７および８が、そこに同時に示される。好ましい実施形態は、このロボットの遠位端に結合された手動ガイド装置７を利用するものである。図３および図４は、本出願人の名において出願された、欧州特許出願公開第２１９４４３４Ａ１号明細書に示される、公知のタイプの手動ガイド装置７の２つの斜視図を示す。図１に示される例において、手動ガイド装置７は、プローブ２の支持構造３に結合される。欧州特許出願公開第２１９４４３４Ａ１号明細書から既に知られたことに従うと、このガイド装置７は、その内部に、プログラム可能なタイプのマイクロプロセッサ電子制御システム、および、恒久的に書き換え可能なメモリ手段を有する。参照番号７１によって示されるのは、装置７の手動ガイド部材であり、これは、多数の自由度を有するノブによって構成される。装置７は、いくつかの押しボタンをさらに含む。その中には、装置７をオンおよびオフに切り替えるための押しボタン７２、および、マニピュレータロボット４の経路の複数の座標を格納するためにオペレータによって使用され得る格納押しボタン７３を含む。装置７にはまた、公知のタイプの充電装置（ここでは表されていない）に接続するためのコネクタ７４が都合良く提供される。

再び、好ましい実施形態の場合には、手動ガイド装置７には、ロボットの電子制御ユニットＥとの無線通信チャネルを確立するための無線通信手段が提供される。この目的のために、電子制御ユニットＥに接続された無線送受信機モジュールが、参照番号７５によって示される。

図３および図４に示される装置７は、プリズム形状の筐体７６をさらに含む。その内側には、対応する制御システムが存在し、ノブ７１がそこに支持される。装置７の制御回路は、筐体７６の寸法がかなり小さくなるように、小型タイプのものである。

装置７には、支持構造３に対して迅速に固定するための、複数のストラップ７７がさらに提供される。もちろん、複数のストラップ７７の代わりに、支持構造３での使用に適切な、その他の取り付け手段が使用され得る。

図４の例において筐体７６は、１または複数の係合台座７９を画定する、それぞれのベース７８を有する。係合台座７９は、複数のストラップ７７が適用される取り付けベース７９ｂのそれぞれの部分７９ａを収容するように設計される。

ノブ７１は、好ましくは６自由度を有する。例えば、ノブ７１に対して軸方向に圧力を加える、さもなければ軸方向に引っ張ることにより、マニピュレータロボット４の前アーム４４の前進または後退が生じる。ノブを右または左へ押すことにより、それぞれ、前アーム４４の右および左への変位が得られる。同様に、ノブを下方に（すなわち、ノブの南に向かって）または上方に（すなわち、ノブの北に向かって）押すことにより、前アーム４４の対応する複数の動きが得られる。ノブ７１は、対応する相対的な複数の回転の動きを得るために、時計回りおよび反時計回りの方向にさらに回転されてよい。

以前に示されたように、手動ガイド装置７の代替となる第２のタイプの手動ガイド装置が、参照番号８によって図１中に示される。手動ガイド装置８は、６自由度のマウス型のものであり、平坦な面に拘束され得る円筒形状のベース８１により構成される（図１の例においてベース８１は、コンピュータ９が載置されるテーブルに対して拘束される）。可動アーム８２がベース８１に接続され、可動アーム８２の終端部にはガイド部材８３が接続され、図１に示される実施形態においては、ガイド部材８３はジョイスティック型のレバー制御装置である。以前に説明された装置７と同様に、装置８もまた、比較的抑制された寸法を有する。市場において現在入手可能なこのタイプの装置は、BK Ultrasound Systems社によって製造されるBioJet Fusion装置である。この理由により、この装置の構造上の詳細は、本明細書ではさらにこれ以上は示されない。

図２は、本発明に従ったシステム１の機能ダイアグラムを示す。複数の直線Ｌは、機能的な観点から、ロードセル５が、ロボット４の遠位端におけるフランジとプローブ２との間に設置されるという事実を示す。ロボット４の電子制御ユニットＥは、対応するガイド部材の医師による手動での作動に続いて、手動ガイド装置７または８から複数の制御信号Ｇを受け取る。電子ユニットＥは、手動ガイド装置７または８から来る複数の制御信号Ｇに基づいて、ロボット４へ複数の制御信号Ｃを送る。このように、医師は、何ら努力する必要無く、容易且つ直感的な態様で、プローブの動きを制御することができる。超音波プローブの場合、オペレータは、手動ガイド装置によってプローブを駆動し、プローブによって得られる臓器（例えば前立腺）の画像をリアルタイムで制御する。

本発明のさらなる特性に従うと（再び図２を参照のこと）、電子制御ユニットＥは、ロードセル５が発した複数の信号Ｓを受け取るように、且つ、ロードセル５によって検出されたストレスが予め定められた閾値を超過する場合にアラーム状態を活性化するようにプログラムされる。電子ユニットＥによって活性化されるアラーム状態は、ロボット４の停止、および／または、例えば、手動ガイド装置７または８に予め配置されたエミッタにより発せられる視覚的および／または音声アラームの活性化から成り得る。上記の特性のおかげで、本発明に従ったシステムは、オペレータがロボット４を介して経直腸プローブを動かすという事実にもかかわらず、患者に対する必要な安全性を保証する。

本発明に従ったシステムの好ましい実施形態のさらなる特性に従うと、手動ガイド装置（７または８）の手動ガイド部材（７１または８３）は、ロードセル５から来る複数の信号Ｓの関数として電子制御ユニットＥにより生成された信号Ｆに基づいて生成される、例えば、振動タイプの触覚フィードバックをオペレータに対して供給するように予め設定される。

このように、本発明に従ったシステムの使用は、その動きの中でプローブが遭遇する抵抗の度合の直接的な感触がオペレータに提供される限りにおいて、さらに簡単で、より直感的である。

本発明のこの好ましい特性に従うと、ガイド部材７１、８３は、結果的に、プローブ２の複数の変位に応じてオペレータが触感を受け取ることができるように、任意の公知のタイプの触覚装置をその内部に含む。複数の触覚装置が公知であり、これまでかなりの間使用されてきている。これらの装置は、例えば、複数の圧電素子を利用してよい。それらの圧電素子は、ノブの外面の下に予め配置され、これらに送られる電気信号に続いて振動するように設定されるべく設計される。

このシステムは、ロードセル５によって検出されるストレスの上述した閾値が超過される場合にだけ、触覚フィードバックを生成するように予め設定されてよい。しかしながら、好ましくは、このシステムは、ロードセル５によって検出されるストレスに比例して増加する強度を持つ、振動の触覚フィードバックのような触覚フィードバックを、ガイド部材７１、８３に生成するように予め設定される。この場合、オペレータは、アラーム状態に達するより前でさえも、増加する触覚信号を受け取ることができる。

好ましくは、電子ユニットＥは、プローブ２がその始動位置へとアプローチする自動初期操作をロボット４に実行させるようにプログラムされる。その後、オペレータが、ロボットの手動ガイド装置を介して、プローブの全面的な制御を担う。

前述の説明から明らかなように、本発明に従ったシステムは、あらゆるタイプの経直腸プローブのロボット支援制御を可能とする。これは、医師が使用するのに極めて簡便且つ直感的であり、同時に、患者に対する必要な安全性を保証する。本発明に従ったシステムは、プローブの動きおよび位置決めの極めて正確な制御をさらに可能とし、比較的単純で安価な手段を利用する。

もちろん、本発明の原理を損なわずに、構造上の詳細および複数の実施形態が、次の特許請求の範囲に特定される本発明の範囲から逸脱することなく、単なる例として本明細書に説明され、示されてきたものに対して広範囲に変化してもかまわない。

Claims (8)

1. 例えば超音波検査のための経直腸超音波プローブである経直腸プローブを制御するためのシステムであって、
   経直腸プローブと、
   前記経直腸プローブを支持するための支持構造と、
   前記経直腸プローブの前記支持構造を支持するリストを有する多軸マニピュレータロボットと、
   前記リストと前記経直腸プローブとの間において動作可能に設置されたロードセルと、
   前記多軸マニピュレータロボットを制御するための電子制御ユニットと、
   前記多軸マニピュレータロボットの前記電子制御ユニットに接続され、手動ガイド部材を含み、前記多軸マニピュレータロボットをガイドするための手動ガイド装置であって、前記手動ガイド部材に与えられる複数の動きの関数である複数の動きを前記多軸マニピュレータロボットに与えるために、前記手動ガイド部材がオペレータによって操作され得る、手動ガイド装置と、
   を備え、
   前記多軸マニピュレータロボットの前記電子制御ユニットは、患者の直腸内で前記経直腸プローブを駆動することを考慮して、前記手動ガイド部材に対してオペレータにより手動で与えられる前記動きに基づいて、前記多軸マニピュレータロボットを制御するようにプログラムされ、
   前記多軸マニピュレータロボットの前記電子制御ユニットは、前記ロードセルが発する複数の信号を受け取り、前記ロードセルにより検出されるストレスの閾値が超過されたという信号を前記ロードセルが送る場合にアラーム状態を活性化するようにさらにプログラムされる、システム。
2. 前記多軸マニピュレータロボットの前記電子制御ユニットにより活性化される前記アラーム状態は、前記多軸マニピュレータロボットを停止させる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電子制御ユニットによって活性化される前記アラーム状態は、視覚的なアラーム信号および音声アラーム信号の少なくとも一方を発現させる、請求項１または請求項２に記載のシステム。
4. 前記手動ガイド部材は、前記オペレータに対して、例えば振動タイプの触覚フィードバックを供給するように予め設定される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記手動ガイド装置は、前記多軸マニピュレータロボットの前記リストに対して、直接的または間接的に強固に接続される、請求項１または請求項４に記載のシステム。
6. 前記手動ガイド装置は、前記多軸マニピュレータロボットに対して、または、前記経直腸プローブの前記支持構造に対して自身を固定するための手段を備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記手動ガイド装置は、前記ロードセルによって検出される前記ストレスに対して比例する強度の触覚フィードバックを供給するように予め設定される、請求項４に記載のシステム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステムを制御するための方法であって、
   前記多軸マニピュレータロボットは、前記手動ガイド部材に対してオペレータにより手動で与えられる前記動きに基づいて制御され、
   前記ロードセルにより検出される前記ストレスの閾値が超過されたという信号を前記ロードセルが送る場合に、アラーム状態が活性化される、方法。